MEMS和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用：智慧農(nóng)業(yè)MEMS技術(shù)

農(nóng)業(yè)應(yīng)用所需的測(cè)量和傳感大部分依靠微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）。MEMS將機(jī)械結(jié)構(gòu)與電子相結(jié)合，制造出智慧農(nóng)業(yè)傳感器、控制器和能量收集器。這些智能傳感系統(tǒng)具有體積小、成本低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，在過去的幾十年中，電子測(cè)量和分析被越來越多地用于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)保證農(nóng)民精確掌握農(nóng)田中每一區(qū)域所需的水、肥料、殺蟲劑和除草劑的用量，有助于提高產(chǎn)量，減少對(duì)環(huán)境的影響。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和分析還可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤、農(nóng)作物和牲畜的狀況，并發(fā)出預(yù)警。

根據(jù)MarketsandMarkets的市場(chǎng)研究報(bào)告顯示，2016年智慧農(nóng)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模為50億美元，到2022年將增長到110億美元，期間的復(fù)合年增長率超過13%。近年來的技術(shù)進(jìn)步，一部分受移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用所驅(qū)動(dòng)，這意味著傳感器、處理器和通信組成的系統(tǒng)成本更低，變得更加親民。

農(nóng)業(yè)應(yīng)用所需的測(cè)量和傳感大部分依靠微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）。MEMS將機(jī)械結(jié)構(gòu)與電子相結(jié)合，制造出智慧農(nóng)業(yè)傳感器、控制器和能量收集器。

這些智能傳感系統(tǒng)具有體積小、成本低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。集成的電子器件可以提供控制、數(shù)據(jù)采集、自校準(zhǔn)和通信等功能。板載處理允許局部計(jì)算，提供即時(shí)反饋并減少必須通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

出于實(shí)用性的考慮，這些系統(tǒng)必須成本低、易于安裝、方便使用、壽命長。系統(tǒng)需要在耗電低的情況下還保持“身體強(qiáng)壯”；依靠電池、太陽能或能量收集技術(shù)維持?jǐn)?shù)年的壽命。

MEMS傳感器包括陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)，以及測(cè)量壓力、聲音和濕度的器件，也可以用于構(gòu)建芯片實(shí)驗(yàn)室（LoC）系統(tǒng)。

加速度計(jì)和陀螺儀的組合，如村田SCC2000，可以增強(qiáng)現(xiàn)有技術(shù)如GPS的準(zhǔn)確性，通過提供關(guān)于地形的詳細(xì)信息，允許更精確的定位進(jìn)行犁耕和播種。

加速度計(jì)也用來監(jiān)測(cè)牲畜的活動(dòng)水平，例如，牛花費(fèi)多少時(shí)間行走、吃飯或躺下休息。通過監(jiān)測(cè)牲畜食用和反芻的時(shí)間，確保其獲得足夠的營養(yǎng)。此外，當(dāng)母牛排卵時(shí)，活動(dòng)水平急劇增加。這種情況經(jīng)常發(fā)生在夜間，這意味著農(nóng)民可能無法及時(shí)找到一頭公牛。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以檢測(cè)排卵發(fā)生時(shí)向農(nóng)民提前發(fā)出警報(bào)。九個(gè)月或十個(gè)月后，農(nóng)民可以使用“牛叫”（MOOCALL），這種產(chǎn)品使用加速度計(jì)來監(jiān)測(cè)由子宮收縮引起尾部運(yùn)動(dòng)的獨(dú)特模式。該系統(tǒng)可以在母牛產(chǎn)犢前一小時(shí)左右向農(nóng)民發(fā)送短信。

MEMS也可用于監(jiān)測(cè)動(dòng)物的環(huán)境保障情況，例如記錄溫度、濕度和噪聲等環(huán)境參數(shù)。在農(nóng)場(chǎng)，這些將保持在合理范圍內(nèi)，但在運(yùn)輸過程中可能出現(xiàn)極端情況。結(jié)合記錄的數(shù)據(jù)和GPS位置信息，足以確保環(huán)境參數(shù)在規(guī)定的范圍內(nèi)變化。

芯片實(shí)驗(yàn)室（LoC）是相對(duì)較新的事物。LoC將一個(gè)或多個(gè)實(shí)驗(yàn)室功能集成到尺寸為幾毫米或厘米的集成電路（IC）上。例如，懸臂梁（一端固定的懸梁，在顯微鏡下觀察形似跳水板），通過在懸臂梁的表面涂覆有與特定毒素分子或病毒結(jié)合的受體。目標(biāo)分子的存在將改變懸臂的共振頻率，從而可以檢測(cè)病原體的存在甚至濃度?？梢詷?gòu)造多個(gè)懸臂，每個(gè)對(duì)不同的病原體敏感度不一樣。其它生物化學(xué)傳感器通過電容的變化探測(cè)到分子引起的結(jié)構(gòu)變化。

這些器件只需要少量的待測(cè)試材料，就可以實(shí)現(xiàn)理想的實(shí)時(shí)自動(dòng)化和高通量處理和篩選。這樣可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行快速分析，而不必向病理實(shí)驗(yàn)室遞送樣品，等上數(shù)天或數(shù)周才能獲得結(jié)果。該技術(shù)在食品安全（食品中的病原體或污染檢查）、動(dòng)物疾病預(yù)防（奶牛擠奶時(shí)檢查乳房炎）和分析土壤養(yǎng)分水平方面具有潛在的應(yīng)用。

盡管不同市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)對(duì)MEMS市場(chǎng)的預(yù)測(cè)不盡相同，但增長態(tài)勢(shì)都持樂觀態(tài)度。例如，ReportsnReports預(yù)測(cè)，2022年MEMS市場(chǎng)將以9.8%的年增長率達(dá)到約190億美元；而Allied Market Research預(yù)測(cè)2022年將達(dá)到268億美元，增長率為11.1%。其它機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)顯示出類似的增長水平，但平均銷售價(jià)格相應(yīng)下降。

MEMS和物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中有許多可能的應(yīng)用。這些技術(shù)將發(fā)揮作用，允許農(nóng)民通過提高生產(chǎn)力和減少環(huán)境影響來滿足世界持續(xù)增長的人口對(duì)農(nóng)作物的需求。隨著成本的下降，更多的農(nóng)民將從智慧農(nóng)業(yè)MEMS技術(shù)中獲益。